热泵换热器及热泵机组的制作方法

本发明涉及制冷，尤其是涉及热泵换热器及热泵机组。

背景技术：

1、现有热泵换热器的降膜式换热器制冷时，管外制冷剂液膜蒸发换热效率高、充注量小，且避免干式换热器因管内气液两相流导致的布液不均、流动死区及冻管风险，亦规避制热工况下管程气相流速过高、压降大而能效降低的问题。但其缺陷在于：

2、蒸发产生的气体扰动液柱致其偏移，部分液态制冷剂脱离管束区沉于底部，且底部积液因结构限制无法完全蒸干；同时，制冷剂携带的冷冻油因不会随制冷剂相变蒸发而积聚于底部积液，若直接取液回油则易致压缩机带液，影响能效与运行稳定性。

3、且当干式或风冷翅片式换热器作蒸发器时，容易因分液不均和/或换热不均导致出口带液，需额外单独设置气液分离器，成本增加。且为提高机组制冷量而单独设置回热器，增加部件与系统复杂度，成本增加。

技术实现思路

1、本发明提供了一种热泵换热器及热泵机组，为了解决现有热泵换热器为提高机组制冷量需单独设置回热器，增加成本，且还容易使压缩机吸气带液的问题。

2、本发明采用的技术方案是，设计一种热泵换热器，包括：

3、壳体，其内部经第一隔板分为降膜区及位于下方的干式区；

4、位于所述干式区下方的储液空间，其设有出液口和回油口；

5、设于所述降膜区内的第一内筒，其顶部连接气管，下部连通所述降膜区且连通处下方设有止回阀；所述降膜区的顶部设有进液口；

6、螺旋管束，设于所述壳体与第一内筒间；

7、第二隔板，设于所述第一隔板的下方，且两者间形成过渡腔；

8、设于所述干式区内的第二内筒，其外侧与所述壳体间形成沿轴向交错分布的两层螺旋流道，且该两层螺旋流道分别用于流通制冷剂和载冷剂；所述第二内筒沿轴向两端分别连通所述过渡腔和所述储液空间；

9、u形管束，设于所述壳体与第二内筒间；所述u形管束贯穿所有所述螺旋流道，且其两端分别伸出至所述第一隔板上方和所述过渡腔内；

10、设于所述第二内筒内的第三内筒，其沿轴向两端分别连通所述第一内筒和所述第二内筒。

11、有益效果：在热泵换热器下方设置干式区，可充分利用立式换热器的优势，增加气相制冷剂经过第三内筒向上流动时高度方向的行程，利用重力进一步分离气相制冷剂中携带的液相制冷剂，减小压缩机吸气带液隐患。且在干式区设有双层螺旋流道，首先不存在流动死区解决了壳程冻管隐患，其次双层螺旋流道具有回热器功能，u形管束内的液相制冷剂吸热完全蒸发为气相，其中一层螺旋流道内的高温液相制冷剂放热实现过冷，通过提升制冷剂过冷度来提升机组制冷量。

12、通过降膜区换热后剩余的液相制冷剂汇聚于第一隔板上方后再进入u形管束内部，从而实现u形管束的进口为纯液相均液，解决了干式蒸发器气液两相分液不均导致u形管束换热性能较低以及u形管束出口带液的问题。

13、且热泵机组使用干式蒸发器或风冷翅片式换热器时，该换热器在机组制热工况时作为冷凝器，管内将存液，制冷工况时作为蒸发器，当机组由制热切换为制冷工况时，管内液相制冷剂无法完全蒸干导致管程出口处存在大量液相制冷剂，因此为防止压缩机吸气带液，机组采用干式蒸发器或风冷翅片式换热器时需单独设置气液分离器，成本较高。因此，热泵换热器集成气液分离器功能，在机组由制热切换为制冷工况时，热泵换热器将由冷凝器切换为蒸发器，第一隔板上方的液相制冷剂以及u形管束内的液相制冷剂将一同汇聚于储液空间，从而避免压缩机吸气带液；在机组由制冷切换为制热工况时，热泵换热器将由蒸发器切换为冷凝器，而机组内的另一个换热器则将由冷凝器切换为蒸发器，然后使该另一个作为冷凝器的换热器内的液相制冷剂进入另一层螺旋流道储存并换热蒸发，避免压缩机吸气带液。

14、将热泵换热器下方由降膜换热区域改为干式区，相较于管外蒸发的降膜蒸发管，干式区为制冷剂在管内蒸发不用考虑管外均液布膜，因此可采用小管径的内螺纹u形管，以形成u形管束。在壳程相同设计压力下，小管径可减小内螺纹u形管的壁厚，同时更小管径和管间距可在单位容积内实现更多布管。在相同换热面积下减小换热器容积，并通过减小壁厚降低热泵换热器的制造成本。

15、相比于常规降膜热泵换热器，受限于盘管结构换热器底部空间利用率不高，最底部积存的液相制冷剂及冷冻油无法通过换热管束参与换热，故将最底部积存的流体回油至压缩机的话，会因液相制冷剂含量高导致压缩机存在吸气带液隐患，故通过热泵换热器下方设置干式区，干式区内设置有竖直的u形管束，以进一步蒸发换热器底部积存的液相制冷剂，提高制冷工况中流入储液空间的流体中的冷冻油含量，提高回油效果并降低压缩机吸气带液隐患。

16、进一步地、所述第一内筒的下部沿周向设有至少一个第一通孔，所述第一内筒的内部空间通过所述第一通孔与所述降膜区连通；

17、所述止回阀位于所述第一通孔的下方，所述止回阀被配置为仅允许所述流体从所述第三内筒流向所述第一内筒。

18、有益效果：当制冷工况中，热泵换热器切换为蒸发器时，降膜区换热产生的气相制冷剂经第一通孔流入第一内筒内，干式区换热产生的气相制冷剂则冲开止回阀进入第一内筒内；而制热工况中，热泵换热器切换为冷凝器时，流入第一内筒的液相制冷剂无法冲开止回阀，避免液相制冷剂进入第三内筒，故通过上述单向止逆作用，有效避免了制热工况下的高温高压气相制冷剂经该止回阀逆向窜流至第三内筒内，以使所有高温高压气相制冷剂依次与螺旋管束和u形管束进行换热，有效减少了能效损失和冷凝压力异常，有效提升换热效率。

19、进一步地、所述第一内筒内还设有至少一个气液过滤网，且所述气液过滤网均位于所述止回阀的下方。

20、有益效果：从第三内筒流入第一内筒的气相制冷剂均需先经过气液过滤网的过滤，避免气相制冷剂携带液相制冷剂从第三内筒流入第一内筒，从而杜绝液相制冷剂进入压缩机，从根本上消除了液击故障对压缩机的阀片、活塞及曲轴等运动部件造成的冲击破坏；且气液过滤网还能进一步回收第三内筒内的气相制冷剂中携带的油滴，避免冷冻油进入下游的部件中。

21、进一步地、所述第二内筒的内侧和所述第三内筒的外侧之间设有第一螺旋折流板并形成第一螺旋流道，所述第一螺旋流道的一端与所述过渡腔连通，另一端与所述第二内筒连通。

22、有益效果：当处于制冷工况时，过渡腔中携带有油滴的气相制冷剂会进入第一螺旋流道，然后沿螺旋方向行进并产生强制旋流，从而利用油滴与气相制冷剂之间的密度差，油滴在离心力作用下被甩向第一螺旋流道的壁面，聚集成较大液滴后沿壁面汇集至储液空间，而被分离纯净的气相制冷剂则从进入第三内筒，从而进一步有效分离气相制冷剂中携带的油滴，提升换热效率，避免下游管路出现“油堵”故障。

23、进一步地、所述第二内筒与所述壳体之间设有第三隔板，所述第三隔板的内外周缘分别密封连接于所述第二内筒的外壁和所述壳体的内壁；

24、所述第二隔板和所述第三隔板之间交错分布有两层螺旋流道。

25、有益效果：通过第三隔板将壳体的下方分为干式区和储液空间，避免两层螺旋流道中的流体直接进入储液空间，从而维持热泵换热器的高效换热性能，保证热泵换热器运行时的稳定性和安全性。

26、进一步地、所述壳体还包括：

27、第二内筒的外侧与所述壳体之间交错布置有第二螺旋折流板和第三螺旋折流板；

28、所述第二螺旋折流板的一端与所述第三隔板朝向所述第二隔板的一侧连接，另一端则通过第一挡板与所述第二隔板连接，以形成用于流通制冷剂的第二螺旋流道；所述第一挡板用于封闭所述第二螺旋流道的对应端；

29、所述第三螺旋折流板的一端通过第二挡板与所述第二隔板连接，所述第三螺旋折流板的另一端通过第二挡板与对应的所述第二螺旋折流板连接，以形成用于流通载冷剂的第三螺旋流道；该第二挡板用于封闭所述第三螺旋流道的两端。

30、有益效果：通过在热泵换热器下方设置干式区，可充分利用立式换热器的优势，增加气相制冷剂经过第三内筒向上流动时高度方向的行程，利用重力进一步分离气相制冷剂中携带的液相制冷剂，减小压缩机吸气带液隐患。且干式区设为交错布置有第二螺旋折流板和第三螺旋折流板，首先不存在流动死区解决了壳程冻管隐患，其次由第二螺旋流道和第三螺旋流道组成的双层螺旋流道具有回热器功能，u形管束内的液相制冷剂吸热完全蒸发为气相，其中一层螺旋流道内的高温液相制冷剂放热实现过冷，通过提升制冷剂过冷度来提升机组制冷量。

31、进一步地、所述第三隔板与所述壳体的底部之间形成储液空间，所述储液空间的底部还设有回油口，该回油口与流体输送组件连接，所述流体输送组件用于将所述储液空间内的冷冻油输送至压缩机；

32、所述第二内筒的底部贯穿所述第三隔板以伸入所述储液空间。

33、有益效果：储液空间汇集有冷冻油时，该冷冻油便会通过回油口被流体输送组件及时快速地排出至压缩机的回油侧，避免储液空间内的冷冻油过高，被第二内筒内的快速气流二次夹带的情况发生。

34、且第二内筒的底部贯穿第三隔板以伸入储液空间后，能保证第二内筒内的液相流体只能进入储液空间，而不会进入第二隔板和第三隔板之间的第二螺旋流道与第三螺旋流道。

35、进一步地、所述第二内筒的底端沿周向开设有多个第二通孔，所有所述第二通孔的下方共同围合形成防冲板，所述防冲板用于防止所述第二内筒内向下流动的流体冲击所述储液空间的液位。

36、有益效果：在制冷工况下，防冲板能防止沿第一螺旋流道向下流动的气流冲击储液空间的冷冻油液位，保持流体输送组件的稳定引射回油。

37、进一步地、所述第一内筒和所述壳体之间设有至少两个位于所述螺旋管束最上方的第一均液盘，所有所述第一均液盘的内外周缘分别密封连接于所述第一内筒的外壁和所述壳体的内壁。

38、有益效果：当处于制冷工况时，节流后的低温气液两相制冷剂从进液口进入最上层的第一均液盘，最上层的第一均液盘对高速来流实施初次截留与缓冲，消除进口流体的直接冲击动能和局部高速射流，使液相制冷剂在第一均液盘的盘面上摊薄并初步分散，经盘面均布孔第一次分配后滴落至下方的第一均液盘，该下方的第一均液盘对初次分配后的制冷剂实施二次重新布液，利用其自身的均布孔和液位蓄积作用，进一步消除最上层布液可能存在的局部偏流或孔间流量不均，使制冷剂在重力作用下以均匀的滴淋密度和稳定的液滴粒径，覆盖至下方的螺旋管束的外表面，从而有效避免了单层布液方式下因制冷剂流量波动、安装水平度偏差或节流后闪发气体干扰而导致的局部管束干涸或供液过剩现象，保证了螺旋管束外表面形成连续、均匀的液膜，从而最大化有效润湿面积和蒸发换热系数。

39、进一步地、所述螺旋管束分为多个管程，位于最上方的两个管程之间设有第二均液盘，所述第二均液盘的外周缘密封连接于所述壳体的内壁，所述第二均液盘的内周缘与对应的所述第一内筒的外壁间隔设置以形成环形流路，所述环形流路用于使气相流体向下流动。

40、有益效果：环形流路在制冷工况下作为气相制冷剂的向下排气通道，保障了滴淋稳定性；环形流路在制热工况下作为高温气相制冷剂的向上换热通道，强化了末端管程的换热效果，该结构实现了同一流路在不同工况下的功能复用，结构紧凑，无需增设额外管路即可提升机组性能。

41、进一步地、位于最下方的两个管程之间的所述第一内筒沿周向设有多个第一通孔。

42、有益效果：在制冷工况时，第一隔板上方不可避免地会积聚一定量的液相制冷剂，该液位通常位于最下方的管程的下方区域，而将第一通孔设在位于最下方的两个管程之间的第一内筒，能保证第一通孔位于液位线之上，确保了第一通孔始终处于气相空间，而非浸没于液相中，以使蒸发产生的气相制冷剂可顺畅地经第一通孔吸入第一内筒，而不会因第一通孔浸没在液面以下导致排气受阻或产生“液封”现象，保证了排气路径的畅通无阻，还能避免引发压缩机吸气带液（液击）的情况。

43、制热工况时，压缩机排出的高温高压气相制冷剂携带冷冻油液滴从气管进入第二内筒，此时的流体无法冲开止回阀，高温高压气相制冷剂只能从第一通孔流出与第三管程、第二管程的螺旋管束换热，且气相制冷剂也可通过环形流路向上流动并与第四管程的螺旋管束换热，从而确保换热面积最大化利用，使整个螺旋管束沿轴向的温度分布更为均匀，避免了局部换热不足的问题，从而提升了制热工况下的综合能效。

44、本发明还提出一种热泵机组，所述热泵机组包括上述所述的热泵换热器。

45、有益效果：将热泵换热器下方由降膜换热区域改为干式区，相较于管外蒸发的降膜蒸发管，干式区为制冷剂在管内蒸发不用考虑管外均液布膜，因此可采用小管径的内螺纹u形管，以形成u形管束。在壳程相同设计压力下，小管径可减小内螺纹u形管的壁厚，同时更小管径和管间距可在单位容积内实现更多布管。在相同换热面积下减小换热器容积，并通过减小壁厚降低热泵换热器的制造成本。

46、相比于常规降膜热泵换热器，受限于盘管结构换热器底部空间利用率不高，最底部积存的液相制冷剂及冷冻油无法通过换热管束参与换热，故将最底部积存的流体回油至压缩机的话，会因液相制冷剂含量高导致压缩机存在吸气带液隐患，故通过热泵换热器下方设置干式区，干式区内设置有竖直的u形管束，以进一步蒸发换热器底部积存的液相制冷剂，提高制冷工况中流入储液空间的流体中的冷冻油含量，提高回油效果并降低压缩机吸气带液隐患。

47、且在热泵换热器下方设置干式区，可充分利用立式换热器的优势，增加气相制冷剂经过第三内筒向上流动时高度方向的行程，利用重力进一步分离气相制冷剂中携带的液相制冷剂，减小压缩机吸气带液隐患。且在干式区设有双层螺旋流道，首先不存在流动死区解决了壳程冻管隐患，其次由第二螺旋流道和第三螺旋流道组成的双层螺旋流道具有回热器功能，u形管束内的液相制冷剂吸热完全蒸发为气相，其中一层螺旋流道内的高温液相制冷剂放热实现过冷，通过提升制冷剂过冷度来提升热泵机组制冷量。

48、通过降膜区换热后剩余的液相制冷剂汇聚于第一隔板上方后再进入u形管束内部，从而实现u形管束的进口为纯液相均液，解决了干式蒸发器气液两相分液不均导致u形管束换热性能较低以及u形管束出口带液的问题。

49、且热泵机组使用干式蒸发器或风冷翅片式换热器时，该换热器在机组制热工况时作为冷凝器，管内将存液，制冷工况时作为蒸发器，当机组由制热切换为制冷工况时，管内液相制冷剂无法完全蒸干导致管程出口处存在大量液相制冷剂，因此为防止压缩机吸气带液，机组采用干式蒸发器或风冷翅片式换热器时需单独设置气液分离器，成本较高。因此，热泵换热器集成气液分离器功能，在机组由制热切换为制冷工况时，热泵换热器将由冷凝器切换为蒸发器，第一隔板上方的液相制冷剂以及u形管束内的液相制冷剂将一同汇聚于储液空间，从而避免压缩机吸气带液；在机组由制冷切换为制热工况时，热泵换热器将由蒸发器切换为冷凝器，而机组内的另一个换热器则将由冷凝器切换为蒸发器，然后使当前作为冷凝器的换热器内的液相制冷剂进入第二螺旋流道储存并换热蒸发，避免压缩机吸气带液。

50、与现有技术相比，本发明至少具备以下有益效果之一：

51、1、本发明通过在热泵换热器下方设置干式区，可充分利用立式换热器的优势，增加气相制冷剂经过第三内筒向上流动时高度方向的行程，利用重力进一步分离气相制冷剂中携带的液相制冷剂，减小压缩机吸气带液隐患。且本发明的干式区设有双层螺旋流道，首先不存在流动死区解决了壳程冻管隐患，其次双层螺旋流道具有回热器功能，u形管束内的液相制冷剂吸热完全蒸发为气相，其中一层螺旋流道内的高温液相制冷剂放热实现过冷，通过提升制冷剂过冷度来提升机组制冷量。

52、2、本发明通过降膜区换热后剩余的液相制冷剂汇聚于第一隔板上方后再进入u形管束内部，从而实现u形管束的进口为纯液相均液，解决了干式蒸发器气液两相分液不均导致u形管束换热性能较低以及u形管束出口带液的问题。

53、3、本发明通过热泵换热器下方设置干式区，干式区内设置有竖直的u形管束，以进一步蒸发换热器底部积存的液相制冷剂，提高制冷工况中流入储液空间的流体中的冷冻油含量，提高回油效果并降低压缩机吸气带液隐患。

54、4、本发明的热泵换热器集成气液分离器功能，在机组由制热切换为制冷工况时，热泵换热器将由冷凝器切换为蒸发器，第一隔板上方的液相制冷剂以及u形管束内的液相制冷剂将一同汇聚于储液空间，从而避免压缩机吸气带液；在机组由制冷切换为制热工况时，热泵换热器将由蒸发器切换为冷凝器，而机组内的另一个换热器则将由冷凝器切换为蒸发器，然后使该另一个作为冷凝器的换热器内的液相制冷剂进入另一层螺旋流道储存并换热蒸发，避免压缩机吸气带液。